热处理工艺对低合金铸钢力学性能的影响

郑宏升 郑岩

摘 要：本文研究了初始淬火温度、淬火温度、回火温度对低合金铸钢拉伸强度、硬度、韧性等力学性能的影响。结果表明：随着初始淬火温度的升高，低合金铸钢的抗拉强度逐渐降低，伸长率先升高后降低，并在260 ℃时出现拐点，伸长率达最大值14.53%。当初始淬火温度为260 ℃时，低合金铸钢的力学性能最优。低合金铸钢的拉伸强度、硬度冲击韧性、断裂韧性随着淬火温度的升高呈先上升后下降的趋势，当淬火温度为（960±10） ℃时，低合金铸钢表现出优异的综合力学性能。低合金铸钢的硬度随回火温度的上升逐渐下降，冲击韧性随回火温度的上升先上升后下降。综合考虑，回火温度的最佳温度为（200±10） ℃。低合金铸钢经960 ℃淬火后，其微观组织结构为单一马氏体结构，且大量纳米级奥氏体薄膜夹杂在马氏体板条间。这种微观组织结构使低合金铸钢具有较高的强度、硬度、韧性及塑性。

关键词：低合金铸钢;初始淬火温度;淬火温度;回火温度;力学性能

中图分类号：TG142.1;TG156 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）28-00-03

Abstract： The effects of initial quenching temperature， quenching temperature and tempering temperature on the tensile strength， hardness and toughness of low alloy cast steel were studied. The results show that with the increase of initial quenching temperature， the tensile strength of low alloy cast steel gradually decreases， the elongation first increases and then decreases， and there is an inflection point at 260 ℃， and the elongation reaches the maximum value of 14.53%. When the initial quenching temperature is 260 ℃， the mechanical properties of low alloy cast steel are the best. The tensile strength， hardness， impact toughness and fracture toughness of low alloy cast steel first increase and then decrease with the increase of quenching temperature. When the quenching temperature is （960 ± 10） ℃， low alloy cast steel shows excellent comprehensive mechanical properties. The hardness of low alloy cast steel decreases gradually with the increase of tempering temperature. The impact toughness increases first and then decreases with the increase of tempering temperature. The optimum tempering temperature is （200 ± 10） ℃. After quenching at 960 ℃， the microstructure of low alloy cast steel is a single martensite structure， and a large number of nano austenitic films are mixed between martensite laths. This microstructure makes low alloy cast steel have high strength， hardness， toughness and plasticity.

Keywords： low alloy cast steel initial quenching temperature;quenching temperature;tempering temperature;mechanical property

鑄钢具有优良的力学和物理化学性能，被广泛应用于运输、矿山、石油、冶金、船舶等力学制造业中[1]。恶劣的使用环境对铸钢的性能提出了更高要求：在保证较高强度的同时，还要求铸钢具备良好的低温冲击韧性和焊接性[2-4]。在铸钢件生产中，提高铸钢件质量，关键在于金属材料的冶炼，尤其是热处理工艺。热处理工艺是能在一定的温度下对低合金铸钢进行加热、保温、冷却，从而使铸钢获得不同的微观结构组织，达到改善铸钢力学性能的目的，满足现实所需要的性能。铸钢的力学性能受淬火回火热处理影响较大。因此，笔者考察了淬火回火热处理工艺对低合金铸钢力学性能的影响，拟改善低合金铸钢的使用性能。

1 试验材料与方法

1.1 试验铸钢

试验所用铸钢为棒形形状，尺寸为350 mm×50 mm×40 mm，其化学成分如表1所示。

1.2 铸钢热处理

试验所用铸钢在箱式电阻炉内进行热处理。初始淬火温度选择200 ℃、220 ℃、240 ℃、260 ℃ 、280 ℃，保温时间5 min，淬火温度选择820～1 080 ℃，回火温度选择150～600 ℃，考察不同初始淬火温度、淬火温度、回火温度对试验铸钢力学性能的影响。

1.3 力学性能试验

利用HBE-3000型布氏硬度计测试贝氏体铸钢的硬度，硬度值取5点的平均值。试样在初始淬火、淬火、回火后分别取样进行拉伸试验，拉伸速率为2 mm/min。

2 试验结果与分析

2.1 初始淬火温度对低合金铸钢力学性能的影响

低合金铸钢的力学性能与残余奥氏体的含量有关，初始淬火温度的高低直接影响残余奥氏体的含量，进而影响低合金铸钢的力学性能。因此，初始淬火温度的选择至关重要。试验选取200 ℃、220 ℃、240 ℃、260 ℃、280 ℃为初始淬火温度，考察低合金铸钢力学性能与初始淬火温度的关系。图1反映了初始淬火温度对试验铸钢力学性能的影响。

由图1可知，试验铸钢的抗拉强度随着初始淬火温度的升高呈线性下降，这主要跟组织中的马氏体有关。一方面，初始淬火温度升高，马氏体含量降低，导致铸钢强度降低;另一方面，碳分配过程中使部分原始马氏体出现软化现象，两者的综合作用导致铸钢强度降低。伸长率随着初始淬火温度的升高先增加后降低，并在260 ℃时出现拐点。当初始淬火温度为260 ℃时，伸长率达到最大值，为14.53%。塑性和韧性的变化主要与合金钢中的残余奥氏体含量变化有关，残余奥氏体随着初始淬火的温度升高，先增加后降低，且在260 ℃时含量最高。这表明塑性和韧性的变化主要是残余奥氏体发挥着相变诱导塑性（Transformation Induced Plasticity，TRIP）效应[5-6]。

2.2 淬火温度对低合金铸钢力学性能的影响

由图2、图3可知，当淬火温度从820 ℃升高到940 ℃，试验铸钢的拉伸强度从1 264 MPa上升至1 623 MPa，硬度从47.12 HRC上升至54.23 HRC，冲击韧性从64.5 J/cm2上升至94.5 J/cm2，断裂韧性从66.3 MPa·m1/2上升至84.6 MPa·m1/2，即淬火温度为820～940 ℃时，试验铸钢的拉伸强度、硬度、冲击韧性以及断裂韧性几乎都随着淬火温度的升高呈线性提高;当淬火温度为940～980 ℃时，试验铸钢的拉伸强度为1 623～1 637 MPa，硬度为54.23～54.12 HRC，即淬火温度在940～980 ℃时，试验铸钢的拉伸强度和硬度几乎没有变化;当淬火温度980～1 080 ℃时，试验铸钢的拉伸强度从1 637 MPa下降到1 168 MPa，硬度从54.12 HRC下降到47.32 HRC，试样铸钢的拉伸强度和硬度几乎呈线性下降。当温度超过960 ℃时，试验铸钢的断裂韧性几乎呈线性下降。徐超等对淬火后铸钢的显微结构进行研究，认为当铸钢的淬火温度超过980 ℃时，奥氏体晶粒粗化，且出现残留奥氏体组织，导致铸钢强度和硬度呈下降趋势[7]。刘腾轼通过研究认为，随着淬火温度升高，材料组织均匀性增强，韧性增加。当淬火温度过高时，晶粒粗化，导致冲击韧性明显下降[8]。由以上分析可见，淬火温度选择为（960±10） ℃，试验所用低合金铸钢具有良好的综合力学性能。

2.3 回火温度对低合金铸钢力学性能的影响

图4反映了经960 ℃淬火后回火温度对低合金铸钢力学性能的影响。由图4可知，随着回火温度从150 ℃上升至600 ℃，低合金铸钢的硬度从55.2 HRC下降到40.3 HRC，几乎呈线性下降，且在350 ℃左右出现回火脆性区;回火温度为100～300 ℃时，冲击韧性从100 J/cm2上升至126.5 J/cm2，几乎呈线性上升;回火温度为300～400 ℃时，冲击韧性从126.5 J/cm2下降到83.7 J/cm2，几乎呈线性下降;当回火温度为400～600 ℃时，冲击韧性从83.7 J/cm2上升至201.7 J/cm2，呈上升趋势。由以上试验数据可知，回火温度200 ℃时，试验铸钢综合力学性能最佳，故回火温度为（200±10）℃是低合金铸钢最佳回火温度。

2.4 低合金铸钢显微结构

图5反映了试验铸钢经淬火回火后显微结构形貌。由图5（a）可知，低合金铸钢经热处理后，其显微组织结构为单一马氏体结构;由图5（b）可知，在高倍透射电镜下，大量纳米级奥氏体薄膜夹杂在马氏体板条间。这种微观组织结构使低合金铸钢具有较高的强度、硬度、韧性及塑性，从而表现出优异的力学性能。

3 结论

①低合金铸钢的抗拉强度随着初始淬火温度的升高逐渐降低。伸长率随着初始淬火温度的升高先升高后降低，并在260 ℃时出现拐点，伸长率达最大值14.53%。当初始淬火温度为260 ℃时，低合金铸钢的综合力学性能最优。

②低合金铸钢的拉伸强度、硬度冲击韧性、断裂韧性随着淬火温度的升高呈先上升后下降的趋势。当淬火温度为（960±10） ℃时，低合金铸钢表现出优异的力学性能。

③低合金铸钢的硬度随回火温度的上升逐渐下降，冲击韧性随回火温度的上升先上升后下降;当回火温度为400 ℃时，冲击韧性达最小值，随着回火温度的上升，冲击韧性又继续上升。综合考虑，回火温度的最佳温度为（200±10） ℃。

④低合金铸钢经960 ℃淬火后，其微观组织结构为单一马氏体结构，且大量納米级奥氏体薄膜夹杂在马氏体板条之间，这种微观组织结构使低合金铸钢具有较高的强度、硬度、韧性及塑性，从而表现出优异的力学性能。

参考文献：

[1]耿浩然，章希胜，陈俊华，等.铸钢[M].北京：化学工业出版社，2007：1-286.

[2]RAO B . High performance high strength low alloy cast steels： US， US5129966 A[P]. 1992-07-14.

[3]LUO K S，BAI B Z. Microstructure and mechanical properties of a low alloyed MnB cast steel[J]. Journal of Materials Engineering and Performance，2010（6）：828-833.

[4]彭志方，谢诞梅，王能为，等.一种低碳微合金铸钢及其制备方法：200610124469.1[P].2007-02-21.

[5]ZACKAY V F，PARKER E R，FAHR D， et al. The Enhancement of Ductility in High-Strength Steels[J]. ASM Trans Quar，1967（2）：252-259.

[6]景财年，王作成.TRIP-相变诱发塑性钢的研究进展[J].特殊钢，2004（4）：1-5.

[7]徐超，韩建民，崔世海，等.正火温度对微合金化铸钢组织和性能的影响[J].北京交通大学学报，2005（4）：96-99.

[8]刘腾轼，顾星恒，杨弋涛.热处理工艺对低合金耐磨铸钢力学与摩擦磨损性能的影响[J].上海金属，2014（6）：24-29.

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